RFID技术及RFID天线分析

2022-12-07

RFID系统基本上都由电子标签(Tag)、读写器(Reader& Writer)和数据交换与管理系统(Center Processor)三大部分组成。电子标签由片上天线及集成芯片组成,通过电磁波与读写器进行数据交换,具有智能读写和加密通信功能。读写器主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写控制等

RFID系统的工作原理其实也很简单:读写器将要发送的信息,经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号,卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理;若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压,提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符,则返回出错信息。

RFID天线设计要点 

RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。天线特性也受所帖附物体形状及物理特性的影响。例如,磁场不能穿透金属等导磁材料,金属物附近磁力线形状会发生改变,而且,由于磁场能会在金属表面引起涡流. 由楞次定律可知,涡流会产生抵抗激励的磁通量,导致金属表面磁通量大大衰减. 读写器天线发出的能量被金属吸收,读写距离就会大大减小。另外,液体对电磁信号有吸收作用,弹性基层会造成标签及天线变形,宽频带信号源(如发动机、水泵、发电机)会产生电磁干扰等,这些都是我们设计天线时必须细致考虑的地方。目前,研究领域根据天线的以上特性提出了多种解决方案,如采用曲折型天线解决尺寸限制,采用倒F型天线解决金属表面的反射问题等。
    天线的目标是传输最大的能量进出电路,这就需要仔细的设计天线和自由空间以及其电路的匹配,天线匹配程度越高,天线的辐射性能越好。当工作频率增加到超高频区域的时候,天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。在传统的天线设计中,我们可以通过控制天线尺寸和结构,使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。一般天线的开发基于的是50或75欧姆阻抗,而在RFID系统中,芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试,天线的设计也就难以达到非常好的。
    对于近距离RFID应用,天线一般和读写器集成在一起,对于远距离RFID系统,读写器天线天线和读写器一般采取分离式结构,通过阻抗匹配的同轴电缆连接。一般来说,方向性天线由于具有较少回波损耗,比较适合标签应用;由于标签放置方向不可控,读写器天线一般采用圆极化方式。读写器天线要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器,还将涉及到天线阵的设计问题。国外已经开始研究在读写器应用智能波束扫描天线阵,读写器可以按照一定的处理顺序,"智能"的打开和关闭不同的天线,使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签,增大系统覆盖范围
天线设计流程 
  因为微带天线的性能指标与天线的微带单元尺寸、基板尺寸、馈电点位置等密切相关,而这些参数又直接由RFID系统的工作频率、基片介电系数、基片厚度、馈电方式决定。在选定基片介电系数和基板厚度、馈电方式之后,计算贴片尺寸、馈电点的位置,再使用Transmission Line Calculator工具计算出馈线的尺寸。得到参数之后,就可以在高频软件ADS的Layout中进行仿真。初步仿真后,在Schematic文件中进行天线匹配,然后参照匹配系数在Layout中进行修改,完成最终RFID微带天线的设计。整个设计流程明晰流畅,简单快捷,调试方便。 
总结
     目前,RFID技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域,它将不同专业领域的技术综合到一起:如天线技术、半导体技术、高频技术、电磁兼容性、数据保护和密码学、无线通信技术、封装制造技术等专业领域。RFID技术很大程度上节省了人工成本,提高作业精确性,加快数据处理速度,有效跟踪物流动态等。RFID天线设计技术作为整个RFID系统设计中相当关键的一项攻坚技术,需要我们在普通天线设计的基础上更细致的考虑RFID系统应用环境、工作频率、阻抗匹配等的影响,为RFID系统的理想工作提供保证。

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